激光深熔焊接中小焊缝成形的数学模拟及其应用.pdf

北京工业大学 博士学位论文 激光深熔焊接中小焊缝成形的数学模拟及其应用 姓名：梅汉华 申请学位级别：博士 专业：光学 指导教师：左铁钏 1997.10.1 北京工业大学博士学位论文 激光深熔焊接中小孔和焊缝成形的数学模拟及其应用 摘要 本文是国家自然科学基金项目“激光深熔焊接专家系统”的理论核心部分。文 章紧紧围绕实际应用的目的，建立了激光深熔焊接小孔和焊缝成形数学物理模型， ，f ：依据理论分析结果，讨论了数学物理模型在激光焊接结果预测和焊接参数优化等 方面的应用。 文中具体分析了大功率激光深熔焊接的物理过程和物理现象，依据能量守衡原 理和热传导定律，通过对各种边界条件和非线性问题的适当处理，建立了激光深熔 焊接数学物理模型。f 该模型考虑了聚焦激光束空间几何形状和能量密度空间分布状 态在激光焊接过程帕作用，首次定量分析了激光光束质量因子( 激光光束聚焦特征 值鳓、导光系统和聚焦系统的光学参数以及离焦量对小孔和焊缝成形的影响。模型 全面地反映了小孔和焊缝成形与激光光束聚焦特征值、光束直径、聚焦镜组的焦 距、激光功率、焊接速度、离焦量以及被焊材料的蒸发能、导热系数、导温系数、 热容等热物理参数间的定量关系，是迄今为止考虑焊接参数最为全面的激光焊接数 学物理模型。卜 为检验数学物理模型的可行性，分别在不同激光加工系统( 儿彤d d 口f + 儿c ，筘 和舰馏d ) 上和不同的焊接工艺条件下进行钢和铝合金材料的激光焊接工艺实验激 光焊接实验结果与数学模型理论计算结果之间的对比表明，由数学模型理论计算确 定的焊缝深度、宽度或焊缝成形随焊接速度、激光功率、离焦量、焦距等焊接参数 的变化关系与实际焊接结果吻合较好。数学模型成功地模拟出焊缝成形随离焦量和 焦距的变化关系。并且，模型可适用于不同的激光加工系统和不同金属材料。这证 实了本文数学模型对激光深熔焊接过程的分析和模拟是可行的。尽管在低速焊接 时，理论和实验结果间也存在一些误差，但在正常的焊接条件下，数学模型与实际 焊接结果是十分吻合的，数学模型具有广阔的适用范围。卜_ 在数学物理模型基础上，文中推导得到了激光焊接熔深的解析表达式，并确定 了最佳的焊接速度、焦点位置和光束聚焦角。l 依据模型，可根据激光光束质量、光 束成形系统、焊接工艺参数和材料热物理特 姒理论上预测焊缝成形。同时，还可 根据实际焊接条件和焊接任务，实现激光加工系统和焊接工艺参数的优化设计，为 激光加工的科研和生产提供优化的激光参数、光束传输系统和聚焦系统的最佳组合 参数以及最佳的激光焊接工艺参数。以该数学物理模型为理论核心，将能够建立一 个与实际焊接过程和焊接结果相吻合、并具有实际应用价值的激光焊接专家系统。卜。 关键词：激光深熔焊接，小孔和焊缝成形，物理数学模型，焊缝成形预测， 参数优化 北京工业大学博士学位论文 m a t h e m a t i c a l m o d e l i n g o ft h e k e y h o l e a n dw e l df o r m a t i o n i nd e e p p e n e t r a t i o nl a s e rw e l d i n g a b s t r a c t t h i ss t u d yi st h et h e o r e t i c a lp a r to ft h er e s e a r c hp r o j e c t ，“a ne x p e r ts y s t e mf o rd e e p p e n e t r a t i o nl a s e rw e l d i n g ，”w h i c hi sf i n a n c i a l l ya i d e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c e f o u n d a t i o no fc h i n a ( n n s f c ) f o rt h ep u r p o s eo f p r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，a na n a l y t i c a l m a t h e m a t i c a lm o d e lo f k e y h o l el a s e rw e l d i n gh a sb e e nd e v e l o p e di nt h i sp a p e r ，w h i c h i n c l u d e sm o s to ft h e k e yw e l d i n gp a r a m e t e r s ，i e 1 a s e r b e a mq u a l i t yf a c t o r ，b e a m d i a m e t e r ，f o c a ll e n g t h ，f o c u sp o s i t i o n ，l a s e rp o w e r ，w e l d i n gs p e e da n dt h et h e r m p h y s i c a l p r o p e r t i e so f m a t e r i a l t h ed i s s e r t a t i o na n a l y s e st h ep h y s i c a lp h e n o m e n a d u r i n gh i g hp o w e rl a s e rw e l d i n g p r o c e s s b a s e do nt h el a wo f t h ec o n s e r v a t i o no f e n e r g ya n dt h et h e o r yo fh e a tt r a n s f e r ， t h e p h y s i c a l a n dm a t h e m a t i c a lm o d e lf o r d e e pp e n e t r a t i o n l a s e r w e l d i n gh a s b e e n d e v e l o p e d ，b ya p p r o p r i a t e j yh a n d l i n g t h e b o u n d a r y c o n d i t i o n sa n dt h en o n l i n e a r p r o b l e m si nw e l d i n gp r o c e s s t h em o d e lc o n s i d e r st h er o l e so ft h es p a t i a ls h a p ea n dt h e e n e r g yi n t e n s i t yd i s t r i b u t i o no f t h ef o c u s e dl a s e rb e a mi nd e e p p e n e t r a t i o nl a s e rw e l d i n g ， f o rt h ef i r s tt i m e ，i tq u a n t i t a t i v e l ya n a l y s e st h ee f f e c t so fl a s e rb e a m q u a l i t yf a c t o r ，f o c u s p o s i t i o na n dt h eo p t i c a lp a r a m e t e r so fb e a md e l i v e r ys y s t e ma n df o c u s i n gs y s t e m ，u p o n t h ek e y h o l ea n dw e l df o r m a t i o n t h em o d e ld e f i n e st h e q u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ew e l df o r m a t i o na n dm o s to ft h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r s ，i e 1 a s e rb e m n q u a l i t y ，b e a m d i a m e t e r ，f o c a ll e n g t h ，f o c u sp o s i t i o n ，l a s e rp o w e r ，w e l d i n gs p e e da n dt h et h e r m p h y s i c a lp r o p e r t i e s o fm a t e r i a l a m o n gt h em a t h e m a t i c a lm o d e l sf o rl a s e r w e l d i n g d e v e l o p e db y 陆t h ep h y s i c a la n dm a t h e m a t i c a lm o d e li nt h i sp a p e ri n v o l v e st h em o s t w e l d i n gp a r a m e t e r s i no r d e rt ov e r i f yt h i sm a t h e m a t i c a lm o d e lo fl a s e rk e y h o l e w e l d i n g ，ag r e a tm a n y o f e x p e r i m e n t sf o rt h el a s e rw e l d i n go f s t e e ia n da l u m i n u mh a v eb e e nc a r r i e do u to nt h e l a s e r p r o c e s s i n gs y s t e m s ，t l f 6 0 0 0 t + t l c l0 5a n dm l l 8 09 0 0 0 w t h ec o m p a r i s o n b e t w e e nt h et h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o w st h a t ，t h ec a l c u l a t e dw e l d f o r m a t i o na n dt h em e a s u r e dr e s u l to ft h ep r a c t i c a lw e l da r ev e r ys i m i l a r t h ev a r i a t i o n t r e n d so ft h ew e l df o r m a t i o nw i t hw e l d i n gp a r a m e t e r sd e t e r m i n e db yt h em a t h e m a t i c a l m o d e l ，a r et h es a m ea st h o s ed e t e r m i n e db yt h ee x p e r i m e n t a t i o n t h em a t h e m a t i c a l m o d e ls u c c e s s f u l l ys i m u l a t e st h ep r a c t i c a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ew e l df o r m a t i o na n d t h el a s e rp o w e r ，w e l d i n gs p e e d ，f o c u sp o s i t i o na n df o c a ll e n g t h a l s ot h em a t h e m a t i c a l m o d e lc o u l db ea p p l i e dt ov a r i o u sl a s e rp r o c e s s i n gs y s t e ma n dv a r i o u sm e t a l s t h e s e p r o v e t h a tt h em o d e l i n gf o rl a s e rk e y h o l ew e l d i n gi nt h i sp a p e r i sf e a s i b l e a l t h o u g ht h e r e e x i s t ss o m ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s a t v e r y l o w w e l d i n gs p e e d s ，t h et h e o r e t i c a l r e s u l ti si n g o o da g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a t i o n u n d e rt h en o r m a lw e l d i n gc o n d i t i o n s ，w h i c hs h o w st h a tt h em o d e lw i l lh a v eal a r g es c o p e o f a p p l i c a t i o n i na c c o r d a n c ew i t ht h em a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h et h e o r e t i c a ld i s c u s s i o np r e s e n t sa n a n a l y t i c a ls o l u t i o nf o rt h ew e l dd e p t h a l s os o m ec a l c u l a t i n gf o r m u l a ef o rt h eo p t i m u m w e l d i n gs p e e d ，f o c u sp o s i t i o na n df o c u s i n ga n g l ea r ed e d u c e d t h em a t h e m a t i c a lm o d e l f o rl a s e r k e y h o l ew e l d i n g i sa b l et o p r e d i c t t h ef i n a lw e l df o r m a t i o nd e p e n d i n go n d i f f e r e n tl a s e rb e a mq u a l i t y ，o p t i c a l s y s t e m ，t e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r s o rt h et h e r m p h y s i c a lp r o p e r t i e so f t h em e t a lm a t e r i a l s ，a sw e l la st oo p t i m i z et h ew e l d i n gp a r a m e t e r s a n do p t i c a ls y s t e md e p e n d i n go nt h ep r a c t i c a lw e l d i n gc o n d i t i o n sa n dp r o c e s s i n gt a s k s o nt h eb a s i so ft h i sp h y s i c a la n dm a t h e m a t i c a l n o d e lo f d e e pp e n e t r a t i o nl a s e rw e l d i n g ， i ti s p o s s i b l et o o b t a i nap r a c t i c a le x p e r ts y s t e mt h a tw i l lc o i n c i d ew i t ht h er e a ll a s e r w e l d i n gp r o c e s s a n db ef i tf o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：d e e pp e n e t r a t i o nl a s e rw e l d i n g ，k e y h o l e a n dw e l d f o r m a t i o n ，m a t h e m a t i c a l m o d e l ，p r e d i c t i o n o fw e l df o r m a t i o n ，o p t i m i z a t i o no f w e l d i n gp a r a m e t e r s 北京工业大学博士学位论文 符号单位 符号表 意义 爿 a p a c d 正 d t e 。 e | 。s e c ， e o p e c ” f 厂 矾 鼠 h h i h l 。 。 l l o l 。 l ( x ，m 矽 3 k k ， h m m 。， m m 2 s c m 。， j ( g 黝 川卅 小棚 ，挖m 3 j j j j m m 2 ， 卅 j m m j m m 3 卅卅 聊m 删m 小朋 肌肌 w m m 2 w m m 2 w m m 2 w m m 2 w m m 2 j m m m 川r a d j m m k 吸收率 等离子体对激光束的吸收系数 导温系数 金属对激光束的吸收系数 热容 聚焦镜处激光光束直径 聚焦光斑直径 光束直径 热传导能量 进入微元体的激光能量 微元体内汽化临界能量 微元体蒸发能 金属蒸发临界能量密度 聚焦光束焦数 聚焦镜焦距 金属熔化潜热 金属汽化潜热 焊缝深度 小孔深度 熔化金属层的厚度 最大焊缝深度 等离子体厚度 功率密度 原始功率密度 临界功率密度 聚焦光斑功率密度 功率密度分布 线能量 激光光束质量特征参数 贝塞尔函数 激光光束聚焦特征值 热传导系数 北京工业大学博士学位论文 符号单位意义 激光光束质量因子 ，值 等离子体的折射率 激光功率 工件吸收的激光功率 穿过等离子体层后的激光功率 临界功率 面热源平均表面强度 汽化临界能量 激光能量 损失能量 熔化热 蒸发能 单位体积d , ：l 所消耗能量 材料由室温到熔化的熔化比热 材料由室温到汽化的汽化比热 反射率 小孔半径 深度z 处的小孔半径 面积 表面张力 小7 l 表面面积 小孔行进轨迹侧面面积 焊缝横断面积 温度 室温 熔点 沸点 时间 小孔前沿金属体积损失速率 小孔前沿金属理论体积损失速率 熔化金属流动所造成的体积损失速率 蒸发体积 材料汽化所造成的体积损失速率 焊接速度 什 拧 ? ? 2 7 _ z ，s 形肜，一 删删耐 耐耐耐k k k k。砒砒砒耐砒枞 膨q p只如吼叽吼r，喇s & & 。丁l l， 北京工业大学博士学位论文 符号单位意义 最佳焊接速度 小孔宽度 焊缝宽度 直角坐标 小孔和焊缝深度坐标 焦平面坐标 最大小孔深度 光束聚焦角( 半角) 最佳聚焦角( 半角) 聚焦光斑半径 坐标z 处的聚焦光斑半径 焦点半径 离焦量 工件对激光功率的吸收率 工件熔化效率 激光波长 密度 小子l 前沿材料汽化比例 光束聚焦角( 全角) 经光学系统变换后的光束发散角( 全角) 原始光束发散角( 全角) 一一删俐肼栅黝删删一 一岍咖一刚耐脚 北京工业大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 激光深熔焊接具有焊接速度快、焊缝深度和深宽比大、焊接热效率高、热影响 区和焊接变形小等显著优点，因而在工业中获得了日益广泛的应用。随着激光焊接 应用的推广和发展，如何确定加工结果与各种焊接参数之间的关系，已经成为一个 亟待解决的重要课题。 然而，激光深熔焊接是一个极为复杂的物理化学过程，焊接过程受到众多因素 的影响，并且各因素之间又是相互作用的。因此，在实验研究中，不进行大量的因 子设计工艺实验，将很难分析出各因素在焊接过程中所起的作用，从而难以确定各 焊接参数与焊接结果之间的关系。 采用数学模拟方法对激光焊接过程进行理论研究，一方面可以从理论上推导出 大量用其他方法难以获得的重要信息，从而增加对焊接工艺过程中物理现象和焊接 机制的理解；另一方面，则可以实现对加工结果的预测和加工参数的预选。激光深 熔焊数学模型在分析焊接工艺机制和分析焊接结果随工艺参数的变化关系时可以 代替大量的焊接工艺实验。在焊接过程和焊接结果的自动控制中，数学模型也具有 重要的意义。因此，自激光深熔焊接工艺在七十年代出现以来，研究者们对激光深 熔焊接能量和物质传输过程的数学模拟研究表现出浓厚的兴趣，迄今为止已经建立 了一些各具特色的激光深熔焊接数学模型。 激光深熔焊焊缝成形是焊接质量的关键参数，是激光焊接工作者关注的焦点。 本章首先简要概述了激光深熔焊的机理，然后分析了激光深熔焊焊缝成形的主要影 响因素，总结了激光深熔焊接的数学模拟研究工作，并在此基础上提出本论文的研 究目的和主要研究内容。 1 2 激光深熔焊接机理 由于金属表面对激光束具有极高的反射率，在七十年代以前，大厚度板的激光 焊接曾被认为是不可能的。直到1 9 7 1 年，随着大功率连续c 0 2 激光的应用，发现 了焊接过程中类似于等离子弧焊和电子柬焊接中的小孔现象川，激光深熔焊基于小 孔效应的焊接机理才逐渐地被揭示出来小”。 1 2 1 金属材料表面对激光能量的吸收 激光焊接的前提是激光束为金属所吸收并转化为热能。激光束人射到材料表 面，一部分被反射，一部分透过材料，而一部分则被材料所吸收。其中，被吸收的 北京工业大学博士学位论文 激光功率在材料内部按下述规律变化” l ( z ) = 厶a e “= 厶( j 一只) e 4 式中，厶，倒一分别为材料表面和距表面z 处的功率密度 a r 一吸收率和反射率 日一吸收系数，多数金属的吸收系数口“，矿一j 矿c m 。 激光透人金属材料的深度，只限于表面下1 0 y m 的范围，因而激光对金属的加 热，可以看做是一种表面热源。在材料表层光能变为热能，热能再遵循热传导规律 向材料深处传播。 金属材料表面对激光的吸收与激光波长、光柬偏振特性、材料种类和表面状态 以及温度等一系列因素有关。表1 - 1 列出了表面状态不同的钢对激光束的吸收率1 7 l 。 由表可以看出，各种表面状态的钢对激光的吸收率都随着激光波长的减小而增加， 钢对0 6 1 t m n d ：y a g 激光的吸收率较对l o 6 1 t m c 0 2 激光的吸收率高5 - 6 倍。在金属 表面被氧化、污染或比较粗糙时，对激光的吸收率明显增加。图l - l 所示为不同材 料在室温下对激光的吸收率与激光波长的关系曲线【8 j 。该图不仅显示了激光波长对 吸收率的影响，而且显示出不同材料对激光的吸收性能的巨大差异。a u c u a i 等导热性能好的金属对0 6 1 t mn d ：y a g 激光和1 0 6 1 t mc 0 2 激光都具有极高的反射 率，而纯铁和钢对两种波长的激光的吸收相对来说要高得多。此外，金属对激光的 吸收还受到激光人射角和激光偏振特性的影响，材料对垂直于人射面的偏振光和对 平行于入射面的偏振光的吸收率随激光入射角间的变化而有明显的不同”。 表1 - 13 5 n c d l 6 钢不同表面状态时对不同波长激光的吸收率m r a 【i - t m 】对c o , 激光对c o 激光对n d y a g 激光 表面状态平均粗糙度 的吸收率( )的吸收率( )的吸收率( ) 九= 1 0 6 p m九= 5 3 5 5 1 t m九= 1 0 6 1 t m 抛光 n d 25 。1 5 5 i 2 58 5 5 & 7 02 9 。7 5 3 0 i o o 碾磨 o2 j7 4 5 7 5 5j 2 8 5 i 2 i 9 53 8 9 0 一4 0 i o 磨削 0 占75 9 5 6 0 5j o 1 5 1 0 。3 53 3 8 0 3 4 j 2 0 磨削 2 0 j8 i o 一8 i 2 5j3 5 0 j3 7 04 1 8 0 4 2 。5 0 磨削 2 9 31 j 6 0 j 2 j oj 9 8 5 2 0 6 05 2 8 0 一5 3 i 2 0 磨削 3 。3 51 2 5 5 一j 2 i 6 52 1 3 5 2 j 5 05 1 。4 0 5 j 7 0 砂纸打磨 j 6 53 3 i 8 5 3 4 3 04 2 。4 0 4 2 8 06 8 2 0 一6 8 4 0 碾磨+ 胶体石墨 _ _ _ 7 4 7 67 7 船8 8 。9 2 北京工业大学博士学位论文 图1 - 1 材料吸收率与激光波长的关系1 8 l l a s e r m o l i e n 图l - 2 激光深熔焊接的机理 1 2 2 激光深熔焊接的产生 激光焊接一般以两种模式进行，即激光热传导焊和激光深熔焊接。 在热传导焊接模式中，激光柬主要是在工件表面为金属材料所吸收，然后通过 热传导以及熔化金属的对流把热能传向材料内部，熔化区不断扩大而形成焊缝。在 激光束的作用下，材料主要是被熔化，而不发生明显的汽化。所得焊缝熔深较小、 焊缝宽度较大、焊缝深宽比小。 相反，在激光深熔焊接过程中，在高能密聚焦激光柬的作用下，工件表面被迅 速加热升温、熔化并发生剧烈的汽化。巨大的金属蒸汽反冲压力使液态金属表面向 下凹陷，形成凹坑。激光束直射至凹坑底部，产生新的蒸发，从而进一步加深凹坑， 直至最后形成所谓的“小孔( 缸y o 尼) ”，如图l 一2 所示。由于j j , i l 的产生，激光束 北京工业大学博士学位论文 可以深入乖于料内部，材料对激光束的吸收率明显提高，所得焊缝熔深大、宽度小、 深宽比大。 与热传导焊接模式相比，激光深熔焊接的焊接效率高，焊接速度快，熔深和焊 缝深宽比大，比能小，热影响区小，焊件变形小，因而是实际应用中所通常期望得 到的焊接模式。两种激光焊接模式的转换主要取决于激光功率密度的大小。图l 一3 定性地反映了不同功率密度条件下材料表面和内部所发生的物理变化 1 4 1 ： 在激光功率密度较低时( 功率密度i 1 0 。w c m 2 ) ，金属表面所吸收的激光能量使 得材料由表及里温度升高，但维持固相不变。此时，如同第1 2 1 节所述，金属对 激光的吸收主要取决于激光波长和材料的特征等因素。 随着激光功率密度的提高( 功率密度，提高到1 0 w c m 2 一，w c m 2 ) ，材料表面 开始熔化，局部区域产生轻微蒸发；材料对激光的吸收率有一定幅度的提高。在此 状态下进行的激光焊接即为热传导焊接( c o n d u c t i o nw e l d i n g ) 。 提高功率密度，到1 0 w c m 2 ，材料表面发生汽化，在较大的汽化膨胀压力下，产 生了d q l 。材料表面附近的汽化物微弱地电离形成等离子体，有助于材料对激光能 量的吸收。进人小i l 的激光几乎被全部吸收，在小孔的侧壁和底部产生剧烈的蒸 发。小孔依靠材料汽化膨胀压强与表面张力、熔化金属静态压力之间的压力平衡而 存在。在该状态下进行的激光焊接为深熔焊接( d e e p p e n e t r a t i o nw e l d i n g ) 。 进一步提高激光功率密度( 达到d ? 一，矿w c m 2 或1 0 8 w c m 2 以上) ，激光辐射使 材料强烈汽化，并使得金属蒸汽和周围气体发生较高程度的电离，形成致密的等离 子体。当等离子体上浮至工件表面以上时，将阻隔激光对材料的辐射。等离子体云 对激光辐射的屏蔽最终将导致小孔的崩溃。 就金属材料对激光的吸收而言，小孔的出现是一个分界线。在出现小孔之前， 无论材料表面处于固相还是液相，其对激光束的吸收率仅随表面温度的升高而有较 慢的变化；而一旦材料出现汽化并形成等离子体和小孔，材料对激光的吸收将会发 生突变，其吸收率几乎不再与激光光波波长、金属特性和材料表面状态有关，而主 要决定于等离子体与激光的相互作用和小孔效应等因素图1 - 4 所示为实际测得的 激光焊接过程中工件表恧对激光的反射率随激光功率密度的变化i ”i 。当功率密度大 于汽化阈值u 0 6 w c m 加寸，由于产生小孑l ，反射率r 突然降至很低值，材料对激光 的吸收剧增。 小孔的形成可以大大增加激光吸收率，但是，小孔效应的机制至今仍不十分明 了。研究显示，两种最有可能的作用机制一种是小孔内部分电离等离子体的逆韧致 辐射l l “，另一种是因激光在小孔壁上多次反射而导致的f r e s n e l 吸收mj 。由于d , ：f l 效应，激光能量将可以在小孔纵深方向上深人材料，而很少横向传输，由此得到的 焊缝因此而具有较大的深度和焊缝深宽比。对于一定厚度的金属板，采用激光焊接 北京工业大学博士学位论文 升温熔化小孔 等离子体 1 0 3 w c m 2功率密度 1 0 8 w e m 2 图1 - 3 不同功率密度下激光与材料间的作用机制 图1 - 4 反射率随激光功率密度的变化i 北京工业大学博士学位论文 将只需输入较少的能量即可焊透，因而工艺热效率高，焊接热影响区和工件的热变 形很小。通常所说的高功率激光焊接、激光深熔焊，本质上就是存在小孔效应的焊 接过程，因而瞳常称为激光小i l 焊( 1 a s e r k e y h o l e w e l d i n g ) 。 在激光深熔焊接过程中，光致等离子体是材料在高能密聚焦激光柬作用下所产 生的一种必然现象。关于等离子体在激光焊接过程中的作用，一般认为，当激光功 率密度较低时，所形成的较为稀薄的等离子体可以改善材料对激光能量的藕合，因 而对焊接过程是有益的”5 ，”。2 0 i 。相反，当激光功率密度较高时，光致等离子体上浮至 ： 件表面。稠密的等离子体云不仅会导致聚焦光斑扩散，使材料表面熔化区扩大， 而且将强烈地吸收人射激光能量，使得到达工件的激光功率密度显著降低，甚至完 全屏蔽人射激光柬对材料的辐射，造成焊接过程的中断。此时，光致等离子体对激 光焊接过程的作用无疑将是极为有害的，需要采取措施抑制等离子体f l5 2 。2 7 l 。 1 3 激光深熔焊接焊缝成形的影响因素 理论上，在整个激光焊接过程中，只要对传热和传质过程中的任一阶段产生影 响的因素都将影响到最终的焊缝成形。根据目前的理论和实验研究结果，激光深熔 焊接焊缝成形的影响因素主要包括激光光学参数、焊接工艺参数以及材料特性。 1 3 1 激光光学参数 影响焊缝成形的激光光学参数包括激光光束质量、光束偏振性、波长以及光柬 聚焦角和焦斑大小等。 在上一节中，我们已经描述了激光功率密度在激光深熔焊4 , t l 形成过程中所具 有的关键作用。聚焦光斑的功率密度可以表示为： = 4 p n d 尹 ( 1 - 2 ) 式中，为功率密度( 黝”州2 ) ，p 为激光功率( 即，西为聚焦光斑直径沏肌) 。高质量 的激光光束，其原始光束直径和发散角较小，在光束横截面上具有较为集中的功率 密度分布，容易聚焦成直径西很小而功率密度，很高的光斑。因此，在激光深熔焊 接中，一般要求激光束为低阶模。光束模式越好，所获得的焊缝越深越窄。图l 一5 为光束模式对焊缝熔深的影响的实验研究结果。在同样的激光功率条件下，采用稳 定腔输出的陋m 。模激光光束所得到的焊缝熔深明显比稳定腔t e m e 。模大i ”1 。图1 - 6 所示为不同光束质量特征参数k 值对铝合金激光焊缝熔深的影响【l ”。其中光柬质量 特征参数k 值表示激光光束质量的好坏，足值越大，光束质量越好。由图可清楚地 看出，在同样的激光功率和焊接速度下，k 值越大，铝合金激光焊缝深度越大。 6 北京工业大学博士学位论文 材料：s t 5 2 低碳钢；功率：4 3 k w 图l 一5 光束模式对焊缝熔深的影响2 8 】 材料：a i m g s i l ；功率：3 6 k w ；焊接气体：h e 图1 - 6 光束质量因量( k 值) 对铝合金熬光焊接熔深的影响 h m m 1 5 1 0 5 竖l 1 l ，o l ；戮荔豕 。 2 ，i y - ， 051 01 52 0p k w 材料：低碳钢；j0 = 1 0 。，v = 8 6 m h ：2 j0 = 4 5 0 v = 3 6 m h 图1 7 不同光束聚焦角时焊接深度与激光功率的关系1 2 9 i 北京工业大学博士学位论文 聚焦光斑直径不仅取决于激光光束质量，而且与激光束聚焦角直接相关。光束 聚焦角( 半角) u 可由聚焦镜处光束直径d 和聚焦镜焦距表示为： d1 a 2 i 72 历 ( 1 - 3 ) 其中，f 为聚焦光束的焦数( f d ) ，在激光加工系统中，f 取决于光束成形系统 ( 导光系统和聚焦系统) 。上式表明，光束聚焦角( 半角) a 与焦数，和焦距厂成反比。 厂越大，聚焦角a 越小，聚焦光斑直径将越大，焦深越长；相反，越小，c c 越大， 聚焦光斑直径将越小，焦深越短。因此，激光光束聚焦角或导光系统、聚焦系统将 对焊缝成形产生重要的影响。图l 一7 所示为不同聚焦角时焊接熔深随激光功率的变 化关系眇】。由图可以看出，当聚焦角( 半角) c t = 2 2 5 0 时，功率的增长只带来焊接深 度的较小增加，但却显著地增加焊缝宽度，特别是焊缝横截面中、下部的宽度增加 更为显著；而在o r = 5 0 时，随着激光功率的增加，焊缝深度迅速增大，与聚焦角o c = 2 2 5 0 时的情况相比，在同样的激光功率下，即使焊接速度远大于聚焦角为2 2 5 0 时的焊接 速度，所得到的焊接深度也明显大于| ( x = 2 2 5 0 时的熔深。 表l 一2 列出了在各焊接速度下采用不同聚焦镜焦距，时所得到的焊缝深度。可 以看出，焦距的变化对焊接深度产生了显著的影响，而且，在不同焊接速度下和对 于不同的材料，焦距的影响存在明显的差异。 表l 一2 采用不同聚焦镜焦距时的焊缝深度t 激光功率：7 k w ) m 1 焊接速度焦距熔深m m熔深m m m 删s，行ma s t ma 7 l oh y l 3 0 j3 8 i7 5 76 i 5 7 j 2 6 91 4 1 39 3 68 6 7 1 4 4 5j d7 8n 3 3 1 3 8 i 1 7 口d 丘7 4 1 6 8 1 4 1 3 7 7 7 7 4 1 1 4 4 59 d d9 0 0 1 3 8 2 d 6 7 丘4 5 2 11 4 1 35 2 47 8 9 j 4 4 57 j d8 6 3 北京工业大学博士学位论文 由于激光光束的偏振特性影响金属材料对激光柬的吸收，因此，激光光束偏振 性对最终的焊缝成形也具有明显的影响。b e y e r 1 的研究结果显示，采用j f 行于焊 接力向的线偏振光可以获得比垂直方向的线偏振光更深的焊缝。图l 一8 所示为激光 束相对于焊接方向的线偏振方向对激光焊缝宽度和焊缝成形的影响。可以发现，平 行偏振光比垂直偏振光将可以获得更小的最小焊缝宽度，并且焊缝横截面面积也比 较小。 激光波长不仅与金属表面对激光的吸收率有强烈的依存关系，而且波长还影响 到深熔焊接过程中光致等离子体的形成。激光波长越短，其诱导金属蒸汽形成等离 子体的临界功率密度越高。波长为1 0 6 9 m 的c d 2 激光产生光致等离子体的临界功 率密度比，0 6 p m 的 hy a g 激光低两个数量级9 “，因而在焊接过程中更容易形成等 离子体云，屏蔽激光对工件的辐射，从而显著降低焊缝深度。在实际应用中，在其 他技术指标近似时，一般将优先选择短波长激光。 ) 图1 - 8 激光线偏振方向对焊缝最小缝宽( ) 和成形( b ) 的影响i 1ijq芏az m1de!u!e 北京工业大学博士学位论文 1 3 2 焊接工艺参数 影响激光焊缝成形的焊接工艺参数主要是激光功率、焊接速度、离焦量和焊接 气体。 根据式( 1 2 ) 可矢i i ，激光功率是直接影响聚焦光斑功率密度的最主要参数之一。 激光功率不足时，由于光斑功率密度太低而无法产生小孔，焊接深度很小。在深熔 焊巾，小i l 的深度基本上就是焊接深度。为增加焊接熔深，应保证聚焦激光柬在小 孔内经小孔壁的多次反射和在等离子体中穿行较长距离后，在小孔底部仍有足够的 剩余功率密度p ”。激光功率越大，聚焦光斑的功率密度也越大，激光能量将可以更 深地穿入材料，从而得到更大的焊接熔深。b a a r d s o ne 驴2 1 的实验研究结果显示， 在焊接速度一定时，熔深与激光功率几乎呈正比。b a n a sc 剧”1 综合几位学者 3 4 - 3 6 j 的实验结果，其中包括低碳钢、不锈钢、钛和铝的激光焊接，总结得出焊接熔深h 与激光功率p 之间ho c 倒o ? 的经验关系。 大量的研究文献 3 7 - 3 8 1 都显示，随着激光焊接速度的增加，焊缝熔深将减小。这 是由于在一定的激光功率下，提高焊接速度，线能量，( 即单位长度焊缝输入能量， j = p v ) 将下降，因此焊接熔深也将减小。适当降低焊接速度可加大熔深，但在焊 接速度过低时，由于等离子体的屏蔽作用，熔深反而会由于小孔的塌陷而减；b i ”i 。 离焦量是指焦斑平面与工件表面的相对位置，是激光焊接特有的一个重要焊接 工艺参数。在焊接过程中，作用于工件表面的激光光斑功率密度并不就是聚焦激光 束的焦斑功率密度，它还取决于焦斑相对于工件表面的位置，因而激光焊缝成形将 受到离焦量的显著影响口”。图1 9 所示为采用不同离焦量时的焊缝断面形状i 。 在其他焊接参数不变的条件下，当焦斑深入工件表面以下一适当距离时，可以得到 最大的焊接熔深，并可获得上部很少增宽、两边接近平行的焊缝成形。 图1 9 不同离焦量时的焊缝断面4 北京工业大学博士学位论文 焊接气体在激光焊接过程中的作用，除了可以保护焊缝外，更主要的则是为了 j t n l i 0 光致等离子体。当激光功率密度较高和焊接速度较低时，激光焊接气体对激光 焊接结果具有重要的作用。常用的激光焊接气体是胁，爿r ，m 等电离电位较高 的不活泼气体。气体抑制等离子体的效果取决于其电离能、导热性、气体密度、气 体施加方式和气体流量2 “2 7 4 2 。4 5 i 。图1 1 0 显示了不同激光功率密度和焊接速度下焊 接气体乖f 一类对焊接熔深的影响”“”。当激光功率为l k w 时，由于聚焦光斑功率密度 坷：足以产生等离子体，各气体对焊缝深度几乎没有影响，而在激光功率达到2 k w 、 焊接速度低于4 0 m m s 时，将产生致密的光致等离子体。不同焊接气体抑制等离子 休的效果不同，因而焊接深度也显示出明显的差异，采用h e 气作焊接气体时比用 m 气、爿r 气时焊接深度大得多，而且，焊接速度越小，三种气体的焊接熔深差别 越大。 5 m m f ， 图l l o 不同激光功率下焊接气体对焊缝深度的影响” 1 3 3 材料特性 不同的金属材料，由于对激光束的吸收能力、热物理性能和化学性能的差异， 其激光焊接性电有明显不同。 由图1 1 可见，对于1 0 6 p m c 0 2 激光，低碳钢表面对激光束的吸收率接近1 0 ， 明显大于铝合金对激光束约2 的吸收率。即使是在深熔焊接模式下，虽然由于小 孔效应，金属可以吸收大部分激光能量，但不同金属对激光的吸收率依然有较大的 差异，对于铁，吸收率可达9 0 以上，而对于铝，吸1 次率则约为6 0 1 4 ”。各种材料 焊接时对激光的吸收率爿的典型值如图l 一1 l 所示m 】。 此外，i _ i = | 于材料热物理性能和化学性能的差异，熔化效率也存在较大差别。熔 化效率是指熔化焊缝金属所需能量与输入总能量之比，由下式计算： 北京工业大学博士学位论文 = 掣( 1 - 4 ) 式1 _ 1 ，s 为焊缝熔化区的断面积，p 为密度，v 为焊接速度，c 为比热，l ，为熔点， 乩为熔化热，j d 为焊件吸收的激光能量，其值为a p 。由上式可见，由于材料特性 不同，激光焊接熔化效率也是不同的，因而将对焊缝成形造成明显的影响。不同材 料激光焊接熔化效率的典型值亦示于图1 - 11 中。 a l f o m g m o n i t i z 7 s s 暖z = 蜀曩收卓匕= 3 熔化效率 图l 一11 不同t | 才料c 0 2 激光深熔焊接的光束吸收率和熔化效率 1 , 4 激光深熔焊接数学模拟 在激光深熔焊接数学模拟研究中，一般采用如下两种理论处理方法： 第一利叻法是数值方法，即采用一整套极为复杂的微分方程，力求准确地模拟 所要考虑的焊接工艺过程。微分方程组必须采用数值方法进行数值求解，目前主要 的数值求解方法是有限差分法和有限元法。数值模型由于能够方便地处理焊接过程 中普遍存在的非线性问题，一般可以得到与实验吻合较好的结果，因而目前使用得 极为普遍，尤其适用于对焊接工艺过程物理本质的研究。但是，数值方法的求解过 程比较复杂，不便于进行理论分析。 另一利，理沦处理方法为解析法，即只考虑焊接工艺过程中最为重要的现象，推 导简化的解析模型，从而简化数学处理。为了获得解析模型，通常采用近似公式来 代替微分方程，以进一步简化这几个被分析的重要现象。解析模型形式简单直观， 可以清楚地表达焊接参量间的数量关系，因而特别适用于对焊接结果